[论文解读] Thixotropy in Viscoplastic Drop Impact on Thin Films

Samya Sen, Anthony G. Morales+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2020

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 69被引用 6

一句话总结

本研究通过高速成像技术，研究了粘塑性液滴撞击薄膜时的变稀老化效应，发现老化后的Laponite悬浮液由于变稀破坏时间尺度更长，从而抑制了飞溅。作者提出通过基于老化后储能模量的屈服应力提高无量纲力群IF(D/t)的表达式，同时保持粘性参数不变，从而在不同老化状态下恢复一致的临界转变值。

ABSTRACT

We use high-speed imaging to study the effect of thixotropic aging in drop impact of yield-stress fluids on pre-coated substrates. Our results reveal that drop splashing is suppressed for "aged" compared to "unaged" samples, indicating that thixotropic breakdown timescales during impact are long enough to affect the dynamics. We propose and test several hypotheses for modifying the dimensionless group ${ m IF}(D/t)$ [1,2] to account for thixotropic aging. The main challenge is that the steady flow properties (Herschel-Bulkley model parameters) used in the current dimensionless group cannot be defined or measured for thixotropically aged samples, because any deformation inherently rejuvenates and breaks down the microstructure. We find the most suitable hypothesis is to only increase the yield stress ($\sigma_{ m y}$, plastic component) based on the storage modulus of aged samples, while keeping the viscous parameters ($K$ or $\eta_{\infty}$) constant. The work reveals fundamental insight into rarely studied short-timescale flow conditions with thixotropic effects. These results are important for applications such as fire suppression or spray coating that involve complex fluids of varying degrees of thixotropic aging.

研究动机与目标

• 研究屈服应力流体在预涂薄膜上撞击时，变稀老化对液滴撞击动力学的影响。
• 确定撞击过程中变稀破坏的时间尺度是否影响粘塑性流体的飞溅行为。
• 评估现有无量纲群IF(D/t)在预测变稀体系中粘附-飞溅转变的适用性。
• 提出并验证对IF(D/t)的修改，以考虑老化样品中随时间演变的微观结构。
• 实现在喷雾涂装、消防抑制等涉及连续液滴沉积的应用中，可靠预测飞溅行为。

提出的方法

• 使用液滴发生装置生成Laponite悬浮液的受控球形液滴，通过高速成像研究液滴撞击。
• 系统改变液滴直径、膜厚、撞击速度和老化时间（未老化与老化样品）。
• 测量未老化样品的稳态剪切流变性质（σy, K, η∞），并利用储能模量G′估算老化样品的有效屈服应力。
• 通过将IF(D/t)群中的稳态屈服应力替换为基于G′的年龄相关有效屈服应力，同时保持K和η∞不变，对IF(D/t)群进行修改。
• 使用修改后的IF(D/t)群比较不同老化状态下飞溅转变行为。
• 采用广义Herschel-Bulkley模型描述稳态流动行为，其中IF(D/t)表示惯性力与耗散力之比。

实验结果

研究问题

• RQ1 变稀老化如何影响粘塑性液滴撞击薄膜时的飞溅行为？
• RQ2 撞击过程中变稀破坏的特征时间尺度是否影响液滴撞击事件的结果？
• RQ3 现有无量纲群IF(D/t)能否准确预测变稀屈服应力流体中的飞溅转变？
• RQ4 为考虑老化样品中随时间演变的微观结构，IF(D/t)需要哪些修改？
• RQ5 当模型被适当地修改后，是否存在一个在不同老化状态下均一致的IF(D/t)临界值用于飞溅转变？

主要发现

• 变稀老化抑制液滴飞溅，老化后的Laponite悬浮液相比未老化样品表现出更少的飞溅。
• 变稀破坏时间尺度（约100 ms）与撞击事件时间尺度（约10 ms）相当或更长，表明老化显著影响动力学行为。
• 原始IF(D/t)群无法在老化与未老化样品之间一致预测飞溅转变，原因在于老化样品中微观结构持续演变，难以定义稳态流变参数。
• 对IF(D/t)最有效的修改是基于老化样品的储能模量G′提高屈服应力（σy），同时保持粘性参数K和η∞在再生状态下的值不变。
• 经此修改后，飞溅转变的临界IF(D/t)值在老化与未老化样品间保持一致，实现了可靠预测。
• 结果表明，在涉及连续沉积或短时流动的应用中，必须在屈服应力流体撞击的标度律中显式考虑变稀老化效应。